陸春振，劉曉光，李永強(qiáng)，鞠曉臣，趙欣欣

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)內(nèi)鋼產(chǎn)量的不斷增加，鋼材在大型基礎(chǔ)設(shè)施上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大量焊接結(jié)構(gòu)被大范圍推廣使用。在過(guò)去的幾十年，鋼鐵材料技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了橋梁工程設(shè)計(jì)、建設(shè)的進(jìn)步，使得現(xiàn)代橋梁在理論設(shè)計(jì)、施工建造和理論分析方面更加注重發(fā)揮鋼材輕質(zhì)、高強(qiáng)的特性，以達(dá)到橋梁的功能性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性要求。20世紀(jì)五六十年代，美國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始推廣使用屈服強(qiáng)度在500～800 MPa的高強(qiáng)鋼，并用于以橋梁為代表的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。我國(guó)的GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》[1]中包括了Q690q等高性能鋼種。

隨著高強(qiáng)度橋梁鋼的應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)脆斷事故屢有發(fā)生，其所造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡越來(lái)越重。同時(shí)高強(qiáng)橋梁鋼在韌性等力學(xué)性質(zhì)方面不能滿(mǎn)足現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)需求，很大程度上制約了其在橋梁中的大規(guī)模推廣使用。因此，為了有效防止橋梁鋼結(jié)構(gòu)在低溫條件下服役發(fā)生脆性破壞，有必要開(kāi)展對(duì)高強(qiáng)鋼斷裂韌性的研究及評(píng)價(jià)。

對(duì)于橋梁鋼結(jié)構(gòu)防斷設(shè)計(jì)，我國(guó)最初沿用前蘇聯(lián)的選材設(shè)計(jì)思想，即采用經(jīng)典力學(xué)理論，將低溫冷脆設(shè)計(jì)納入鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中。相比于歐、美、日等地區(qū)或國(guó)家防斷選材較合理的原則和方法，這種研究思路比較片面，無(wú)法真實(shí)反映材料斷裂力學(xué)性能。從京九鐵路九江長(zhǎng)江大橋的試探性研究開(kāi)始，我國(guó)科研工作者對(duì)鋼橋韌性和防斷設(shè)計(jì)有了初步認(rèn)識(shí)，隨后在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂及蕪湖長(zhǎng)江大橋的建設(shè)中，對(duì)16Mnq鋼，14MnNbq鋼均進(jìn)行了專(zhuān)題研究。2006年3月，為建設(shè)我國(guó)第一座高速鐵路橋——南京大勝關(guān)大橋，開(kāi)展了“南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋高強(qiáng)度Q420q鋼防斷試驗(yàn)研究”。隨后在滬通公鐵兩用橋建造時(shí)，開(kāi)展了“Q500q鋼防斷試驗(yàn)研究”。在完成的同類(lèi)橋梁鋼防斷研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合滬通長(zhǎng)江大橋高速、大跨、重載的特點(diǎn)，對(duì)Q500q鋼進(jìn)行了有針對(duì)性的防斷試驗(yàn)研究。這些研究成果為日后的防斷研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，鋼材防斷研究雖然已發(fā)生了巨大變化，大量新方法、新理論不斷涌入，深化了對(duì)鋼材斷裂韌性發(fā)展現(xiàn)狀的認(rèn)知，推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)防斷選材評(píng)價(jià)方法的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，但仍有許多問(wèn)題尚未解決，面臨的挑戰(zhàn)還很?chē)?yán)峻，相關(guān)研究仍嚴(yán)重滯后，這也是鋼材斷裂韌性問(wèn)題突出的根本原因。因此，總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性研究現(xiàn)狀，理清當(dāng)前研究面臨的主要問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，具有積極的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 橋梁用鋼防斷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不同形式的試驗(yàn)，分析材料斷裂韌性特征，建立了多種橋梁鋼防斷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本節(jié)扼要介紹目前國(guó)內(nèi)外常用的基于夏比沖擊試驗(yàn)、落錘試驗(yàn)、CTOD(Crack Tip Opening Displacement,裂紋尖端張開(kāi)位移)試驗(yàn)、寬板拉伸試驗(yàn)等4種試驗(yàn)的橋梁鋼防斷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀。

1.1 基于夏比沖擊試驗(yàn)防斷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

夏比沖擊試驗(yàn)是評(píng)價(jià)金屬材料及其焊接接頭沖擊韌性最簡(jiǎn)單的方法，是一種傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)方法。因此，對(duì)各類(lèi)焊接鋼結(jié)構(gòu)材料，目前大都趨于以夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果作為材料韌性和冶金質(zhì)量控制的常規(guī)驗(yàn)收指標(biāo)。夏比沖擊試驗(yàn)可以作為確認(rèn)冶金工藝一致性驗(yàn)收試驗(yàn)中的重要一環(huán)，也可以用于定量比較韌性，從而選擇韌性好的材料。夏比沖擊試驗(yàn)的原理是通過(guò)沖擊試驗(yàn)機(jī)揚(yáng)起一定高度的擺錘，對(duì)處在簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的含有缺口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣進(jìn)行沖擊，然后測(cè)量試樣斷裂后的沖擊吸收功。

根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[2]開(kāi)展夏比沖擊試驗(yàn)，得到不同溫度下鋼材夏比沖擊試驗(yàn)值，溫度與對(duì)應(yīng)沖擊吸收的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 沖擊吸收功溫度曲線(xiàn)

沖擊功與溫度的關(guān)系是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。大量研究表明[3-4]，隨著溫度降低和厚度增加，高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的韌性逐漸降低，表現(xiàn)出明顯的脆性特征，破壞形式也由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选Ｏ谋葲_擊試驗(yàn)是最早被用于鋼材斷裂韌性研究的試驗(yàn)方法，因其簡(jiǎn)單方便、易操作等特點(diǎn)而被廣泛所采用。趙建平等[5]在夏比沖擊韌性研究中，總結(jié)分析了Boltzmann函數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)B)、Logisticl函數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)L)、Gompertz函數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)G)、Richards函數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)R)、Weibull函數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)W)、Polynomial函數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)P)等6種回歸函數(shù)方程，表1、表2為采用不同函數(shù)回歸時(shí)的相關(guān)系數(shù)、殘差的數(shù)據(jù)比較。由表1、表2可見(jiàn)，采用Boltzmann函數(shù)時(shí)殘差、回歸結(jié)果的相關(guān)系數(shù)優(yōu)于其他方法。因此，Boltzmann函數(shù)在沖擊功與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)回歸分析中有較好的適應(yīng)性，能夠明確各參數(shù)的物理意義，使得斷裂韌性分析具有一定的統(tǒng)一性和可比性。

Boltzmann函數(shù)為

(1)

式中：Akv為沖擊吸收功；A1，A2分別為沖擊功擬合曲線(xiàn)的下平臺(tái)能、上平臺(tái)能；T為溫度；Tt為韌脆轉(zhuǎn)變溫度；Tr為轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍。

表1 采用不同函數(shù)回歸時(shí)的相關(guān)系數(shù)

注：P(6)表示6階多項(xiàng)式，P(5)表示5階多項(xiàng)式，P(4)表示4階多項(xiàng)式。下同。

表2 采用不同函數(shù)回歸時(shí)的殘差

孔祥偉等[6]在對(duì)Q390鋼韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)沖擊吸收功的研究中，在基于夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果三參數(shù)Weibull函數(shù)分布的基礎(chǔ)上，結(jié)合斷裂失效概率分布統(tǒng)計(jì)模型，揭示了沖擊吸收功、溫度、累計(jì)失效概率之間的變化關(guān)系為

KJC(Pf)=20+[-ln(1-Pf)]1/4×

[13.8+96.6e0.019(T+42)]

(2)

式中：KJC(·)為由J積分換算得到的等效斷裂韌性；Pf為累計(jì)失效概率。

夏比沖擊試驗(yàn)所獲得的沖擊功包括裂紋萌生功和裂紋擴(kuò)展功，而試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確反映二者的相對(duì)關(guān)系，也不能很好地反映材料的斷裂行為，因此無(wú)法通過(guò)沖擊試驗(yàn)得到真實(shí)的材料韌脆性能。夏比沖擊試驗(yàn)多采用10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，因此用夏比沖擊試驗(yàn)評(píng)價(jià)材料韌性指標(biāo)有很大的局限性，表現(xiàn)在：①標(biāo)準(zhǔn)試件具有顯著的尺寸效應(yīng)，使得與實(shí)物試驗(yàn)所得結(jié)果往往存在嚴(yán)重的背離。②沖擊試驗(yàn)局部取樣的方法，改變了材料的應(yīng)力狀態(tài)，將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件原本的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，再由沖擊試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)材料韌性，得到的結(jié)果有較大誤差。③鋼板厚度大小及沿厚度方向的位置差異對(duì)沖擊韌性均勻有較大的影響[7]。

1.2 基于落錘試驗(yàn)的鋼材防斷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

由于夏比沖擊試驗(yàn)無(wú)法反映不同厚度鋼板斷裂韌性差異，落錘試驗(yàn)方法應(yīng)運(yùn)而生，并在船舶、壓力容器、橋梁等工程領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。落錘試驗(yàn)是由美國(guó)海軍研究所Pellini等在20世紀(jì)50年代創(chuàng)立，之后在美國(guó)鋼材防斷韌性研究中推廣使用。該方法用于研究在特定溫度下鋼材的抗脆性斷裂性能，1963年該方法首次被ASTM E208-17e1StandardTestMethodforConductingDrop-WeightTesttoDetermineNil-DuctilityTransitionTemperatureofFerriticSteels[8]所采納并經(jīng)歷數(shù)次修訂。

落錘試驗(yàn)得到最主要參數(shù)指標(biāo)是NDT(Nil Ductility Transtition,無(wú)塑性轉(zhuǎn)變)溫度，該溫度值是判定結(jié)構(gòu)材料防斷設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。NDT溫度是指在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)試樣發(fā)生斷裂的最高溫度值，能夠表征含裂紋的鋼材在動(dòng)態(tài)加載屈服應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂的最高溫度。落錘試驗(yàn)方法測(cè)定得到NDT溫度，以此確定鋼材在某一厚度下的最低使用溫度，也可求得在設(shè)計(jì)應(yīng)力下結(jié)構(gòu)允許的最大裂紋尺寸，或由裂紋尺寸確定發(fā)生斷裂的最小應(yīng)力。

何成等[9]在工業(yè)汽輪機(jī)氣缸用材無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度的研究中提出：通過(guò)先進(jìn)的冶煉技術(shù)和熱加工工藝嚴(yán)格控制P，S元素含量，細(xì)化晶粒等手段，可有效降低鋼材的NDT溫度，以實(shí)現(xiàn)材料良好的斷裂韌性。李國(guó)寶等[10]在管線(xiàn)鋼落錘試驗(yàn)中，分析了材料偏析度、夾雜物、碳化物析出組織均勻性和組織類(lèi)型對(duì)落錘試驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明：①當(dāng)鋼材偏析度越大，軋制時(shí)出現(xiàn)帶狀組織概率越高，而落錘試驗(yàn)試件取橫向試樣即垂直于帶狀組織方向，當(dāng)試件受力時(shí)帶狀組織由于應(yīng)力集中極易產(chǎn)生裂紋并沿帶狀組織邊界迅速擴(kuò)展，發(fā)生脆性斷裂;②雜物存在產(chǎn)生明顯的裂紋源，大大降低了材料韌性;③碳化物的析出割離集體的連續(xù)性，在落錘試驗(yàn)過(guò)程中碳化物與基體交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致脆性斷裂發(fā)生。

以上2項(xiàng)研究在很大程度上啟發(fā)了科研人員更多地關(guān)注材料微觀(guān)特性，改變以往只針對(duì)材料宏觀(guān)力學(xué)性能的研究方法，使科研人員認(rèn)識(shí)到真正影響材料斷裂韌性的關(guān)鍵在于材料材質(zhì)問(wèn)題。這既有助于幫助科研人員更好了解材料的本質(zhì)屬性，又促使他們通過(guò)優(yōu)化材料生產(chǎn)工藝獲得更好的斷裂韌性。

諸多研究表明[11-13]，落錘試驗(yàn)過(guò)程中沖擊作用荷載一部分轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變；另一部分被材料轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，造成不可恢復(fù)的損傷。由此對(duì)沖擊過(guò)程中的沖擊接觸力、沖擊速度、被沖擊試件產(chǎn)生的沖擊變形量等參數(shù)進(jìn)行研究，分析得到材料損傷和沖擊能量吸收之間的關(guān)系以及相關(guān)力學(xué)行為，具有實(shí)際的意義。

綜上所述，不管是夏比沖擊試驗(yàn)還是落錘試驗(yàn)，橋梁用高強(qiáng)鋼防斷評(píng)價(jià)僅用某一參數(shù)或者某一項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果反映鋼材斷裂韌性是片面的。為克服防斷評(píng)價(jià)指標(biāo)單一、理論性差等缺點(diǎn)，需要綜合考慮多方面因素，提出敏感性防斷評(píng)價(jià)控制指標(biāo)，制訂并完善全面的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 基于CTOD的試驗(yàn)鋼防斷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

斷裂力學(xué)韌性參數(shù)，無(wú)論是裂紋張開(kāi)位移δ，還是裂紋臨界狀態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子KC，都隨著溫度、構(gòu)件厚度、加載速率變化而發(fā)生變化[14]。為了研究鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其焊接接頭斷裂韌性，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了大量重復(fù)試驗(yàn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果特性、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試圖通過(guò)有效途徑尋找鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)。

CTOD能夠反映材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，因此CTOD特征值可以作為鋼材防斷評(píng)價(jià)判定指標(biāo)。CTOD試驗(yàn)包含了引發(fā)斷裂的2個(gè)重要因素——應(yīng)力和裂紋尺寸，通過(guò)不同溫度下試驗(yàn)結(jié)果可以歸納得到規(guī)律性結(jié)論，并被用于鋼材防斷評(píng)價(jià)研究。將材料試驗(yàn)測(cè)試的CTOD特征值δ與工程應(yīng)用時(shí)的CTOD允許值δmin進(jìn)行比較，若所測(cè)CTOD特征值δ≥δmin，則材料的斷裂韌度合格，可以使用。工程應(yīng)用時(shí)的CTOD允許值δmin是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)得到的，無(wú)法由試驗(yàn)確定，一般在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中或者行業(yè)規(guī)范中給定。例如挪威船級(jí)社DNV-OS-C401—2014FabricationandTestingofOffshoreStructures[15]規(guī)定允許δmin為0.15 mm，美國(guó)石油協(xié)會(huì)API RP 2Z—2005RecommendedPracticeforPreproductionQualificationforSteelPlatesforOffshoreStructures[16]規(guī)定試驗(yàn)研究中允許最小CTOD值為0.13 mm。我國(guó)規(guī)范尚未對(duì)鋼材CTOD允許值δmin作出規(guī)定，導(dǎo)致許多CTOD試驗(yàn)在完成試驗(yàn)后依然無(wú)法判斷其韌性是否滿(mǎn)足使用要求。

圖2 P-V關(guān)系曲線(xiàn)

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，科研工作者開(kāi)始對(duì)CTOD試驗(yàn)進(jìn)行大量研究，但在如何依據(jù)CTOD試驗(yàn)結(jié)果選取鋼材斷裂韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)方面沒(méi)有統(tǒng)一定論。張玉玲[17]在14MnNbq鋼，16Mnq鋼CTOD試驗(yàn)中，根據(jù)CTOD試驗(yàn)結(jié)果得到P-V關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。圖中，F(xiàn)Q為最大力；Fc，F(xiàn)u，F(xiàn)m分別對(duì)應(yīng)δc，δu，δm。由此可將試件破壞狀態(tài)分為脆性失穩(wěn)、脆性穩(wěn)定失穩(wěn)、韌性失穩(wěn)3個(gè)階段，因此CTOD臨界值應(yīng)由試件破壞狀態(tài)決定。在對(duì)試驗(yàn)所得復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)性因素剔除后，得到CTOD計(jì)算式如下：

對(duì)于14MnNbq鋼母材

(3)

對(duì)地16Mnq鋼母材

(4)

對(duì)于焊縫

(5)

式中：δB，δW為母材和焊縫的裂紋尖端張開(kāi)位移,mm；a為裂紋長(zhǎng)度，mm；W為試樣寬度，mm；T為溫度，℃。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)需求，考慮橋梁構(gòu)件裂紋形式、焊接殘余應(yīng)力、接頭錯(cuò)位、角變形、裂紋尖銳度等因素下，提出各種板厚不發(fā)生脆性破壞時(shí)的允許最低使用溫度。

為了能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鋼材的斷裂破壞，王元清等[18]提出了考慮裂紋構(gòu)件擴(kuò)展，最大載荷點(diǎn)裂紋擴(kuò)展量Δa比實(shí)測(cè)值偏大的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防斷設(shè)計(jì)公式。該方法依據(jù)CTOD試驗(yàn)對(duì)裂紋擴(kuò)展阻力曲線(xiàn)的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，將鋼材最大荷載CTOD特征值δm定為裂紋擴(kuò)展阻力，并分析含裂紋鋼構(gòu)件斷裂驅(qū)動(dòng)力δΔa與δm的關(guān)系，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防斷設(shè)計(jì)式為

(6)

式中：σy為鋼材屈服強(qiáng)度；E為鋼材彈性模量，取206 GPa。

有研究表明[19]，在鋼材斷裂韌性CTOD特征值選取指標(biāo)問(wèn)題上一直沒(méi)有定論。選取不同的特征值會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的安全水平，若選用啟裂特征值為特征值則安全水平過(guò)高，偏于保守；若選用最大荷載特征值則安全水平偏低。

在CTOD斷裂韌性測(cè)試中，塑性鉸模型用于計(jì)算CTOD的塑性分量，但塑性鉸模型的精度一直存在爭(zhēng)議。為此，Yoichi等[20]通過(guò)有限元模型分析得到塑性旋轉(zhuǎn)因子rp、裂紋尖端張開(kāi)位移有限元計(jì)算值δFEM,對(duì)屈強(qiáng)比為0.6,0.9的試件進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在緊湊型CTOD試樣模型中，屈強(qiáng)比對(duì)塑性旋轉(zhuǎn)因子的影響非常小，在2種屈強(qiáng)比的鋼模型中，塑性旋轉(zhuǎn)因子的平均值為0.52，見(jiàn)圖3。圖中采用的是C(T)試件，厚度B=25 mm，寬度W=50 mm，a0/W=0.52，a0為預(yù)制疲勞裂紋。該塑性旋轉(zhuǎn)因子與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)因子一致，并且合理地用于CTOD計(jì)算。

圖3 塑性旋轉(zhuǎn)因子rp與δFEM變化關(guān)系曲線(xiàn)

CTOD試驗(yàn)前要預(yù)制試件疲勞裂紋，且對(duì)預(yù)制疲勞裂紋的精度有著嚴(yán)格的要求。GB/T 21143—2014《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》[21]規(guī)定0.45≤a0/W≤0.70。Tomoya等[22]在研究裂紋寬度比時(shí)提出了新的CTOD計(jì)算式

(7)

式中：K為應(yīng)力強(qiáng)度因子;m=4.9-3.5(YR),YR為屈強(qiáng)比;f為CTOD塑性分量修正系數(shù)，f=FfB=25，F(xiàn)為厚度修正系數(shù)，F(xiàn)=0.8+0.2e-0.019(B-25)，fB=25=-1.4(YR)2+2.8(YR)-0.35;rp=0.43;Vp為缺口張開(kāi)位移的塑性分量;CVp=CVp1+CVp2,計(jì)算式為

通過(guò)比較ISO標(biāo)準(zhǔn)公式與式(7)，計(jì)算得到δ誤差曲線(xiàn)，誤差較小，能夠滿(mǎn)足工程要求。該公式可以應(yīng)用于高強(qiáng)鋼δ值的計(jì)算。

田越[23]在針對(duì)Q500鋼斷裂韌性的研究中，將CTOD試樣的單邊疲勞預(yù)裂紋作為缺陷，結(jié)合BS 7910—2013GuidetoMethodsforAssessingtheAcceptabilityofFlawinMetallicStructures[24]的失效評(píng)定曲線(xiàn)(FAD圖)，提出對(duì)橋梁鋼CTOD值防斷性能評(píng)定方法。

對(duì)高強(qiáng)度Q500鋼的CTOD值的評(píng)定可以采用BS 7910—2013[24]的2B級(jí)評(píng)定方法。2B級(jí)失效評(píng)定曲線(xiàn)的公式為

(8)

當(dāng)理想彈塑性材料裂紋尖端達(dá)到全面屈服后，塑性屈服區(qū)的應(yīng)力與屈服應(yīng)力σy相等，因此

Lr=σref/σy=1

(9)

式中：σref為荷載作用下裂紋尖端的真實(shí)應(yīng)力。

(10)

如果評(píng)定指標(biāo)值落在坐標(biāo)軸線(xiàn)與評(píng)定曲線(xiàn)所包圍的區(qū)域內(nèi),則該缺陷可以接受；如果評(píng)定指標(biāo)值落在評(píng)定曲線(xiàn)上或評(píng)定曲線(xiàn)外,則該缺陷不可以接受，見(jiàn)圖4。

圖4 不同厚度S420ML橋梁鋼CTOD值評(píng)定曲線(xiàn)

國(guó)外已經(jīng)大量運(yùn)用CTOD特征值評(píng)價(jià)鋼材母材和焊接接頭的斷裂韌性，相關(guān)規(guī)范中也給出了CTOD最小的允許δ值，而國(guó)內(nèi)在對(duì)鋼材母材及其焊接接頭斷裂韌性評(píng)價(jià)中尚未給出CTOD最小的允許δ值，導(dǎo)致在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)中缺少相關(guān)依據(jù)。苗張木等[25-26]在對(duì)焊接接頭斷裂韌度CTOD評(píng)定分析研究中，提出確定鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭CTOD允許值的“母材參考法”，即若焊接接頭中焊縫和熱影響區(qū)的特征CTOD值都不小于母材CTOD值，則焊接接頭韌度合格，但大量研究證明，熱影響區(qū)和焊縫試樣的CTOD特征值都小于母材，因此“母材參考法”并不適用于焊接接頭斷裂韌度評(píng)定。

CTOD試驗(yàn)作為斷裂韌性指標(biāo)，在工程上被廣泛應(yīng)用。大量研究表明，裂紋尖端張開(kāi)位移由彈性分量δe和塑性分量δp組成。彈性分量對(duì)溫度、板厚變化不敏感，而塑性分量對(duì)溫度、板厚較為敏感，隨溫度的降低而明顯減小。目前對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，尤其是高強(qiáng)橋梁鋼構(gòu)件的研究不夠充分，試驗(yàn)數(shù)據(jù)體量不夠大，不夠完整。

表3 斷裂韌性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

1.4 基于斷裂力學(xué)K概念的橋梁鋼結(jié)構(gòu)防斷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)研究

斷裂力學(xué)(Fracture Mechanics)是以鋼材內(nèi)存有裂紋為前提評(píng)價(jià)材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的工學(xué)方法。鋼材在發(fā)生斷裂時(shí)，斷裂力學(xué)以裂紋尖端周?chē)鸂顟B(tài)的物理量作為破壞特性值處理其斷裂破壞強(qiáng)度，即把作用應(yīng)力、應(yīng)變、缺陷尺寸、材料的斷裂特性等處理成相關(guān)定量。20世紀(jì)30年代，由Griffith[31-32]按能量理論用完全脆性材料(玻璃)進(jìn)行研究，取裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K作為斷裂參數(shù)。該概念是建立在裂紋尖端的塑性變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂紋尺寸的基礎(chǔ)上，稱(chēng)為線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)。彈性裂紋尖端近旁的應(yīng)力場(chǎng)可根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)K進(jìn)行定義。K是裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的尺度，是外力、裂紋大小、彈性體形狀等的函數(shù)。據(jù)此，建立K與外荷載、裂紋長(zhǎng)度、彈性體形狀等因素的關(guān)系。

劉家駒等[33]在16Mnq鋼斷裂韌性防斷評(píng)判研究中，將大尺寸試件的寬板拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和小尺寸試件的夏比沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，該評(píng)判方法通過(guò)對(duì)夏比沖擊試驗(yàn)與寬板拉伸試驗(yàn)進(jìn)行定量分析，確定二者關(guān)系表達(dá)式為

(11)

(12)

式(11)相關(guān)系數(shù)R=0.902 4，式(12)相關(guān)系數(shù)R=0.801 5。

將寬板拉伸試驗(yàn)和夏比沖擊試驗(yàn)用于16Mnq鋼焊接橋梁防斷適用性研究之后，對(duì)材料斷裂韌性有了更深入認(rèn)識(shí)，并逐步形成一套完整防斷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在Q420qE鋼、Q500q鋼防斷評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用。

2006年8月4日，京滬高速鐵路上的控制性工程——南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋破土動(dòng)工，主跨采用2×336 m連續(xù)鋼桁拱橋。南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋首次采用了Q420qE級(jí)高強(qiáng)度、高韌性與良好焊接性能的新型鋼材，針對(duì)Q420qE鋼斷裂韌性，利用斷裂力學(xué)K概念通過(guò)全厚度深缺口寬板拉伸試驗(yàn)、夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)，將影響橋梁鋼結(jié)構(gòu)斷裂韌性的焊接結(jié)構(gòu)工藝、接頭性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力、構(gòu)件厚度、結(jié)構(gòu)的加載速率、臨界裂紋尺寸、最低環(huán)境溫度等因素全面、系統(tǒng)地歸納為結(jié)構(gòu)斷裂驅(qū)動(dòng)力與斷裂抗力的函數(shù)，并定量地確定斷裂驅(qū)動(dòng)力與斷裂抗力的表達(dá)式。

橋梁結(jié)構(gòu)斷裂驅(qū)動(dòng)力是通過(guò)斷裂力學(xué)概念進(jìn)行表述，斷裂驅(qū)動(dòng)力為

(13)

式中：KI為裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子;Y為結(jié)構(gòu)因子；σ為結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力。

結(jié)構(gòu)材料的斷裂抗力由深缺口寬板拉伸試驗(yàn)測(cè)定的KC值表示，是包含了溫度T、沖擊試驗(yàn)1/2上平臺(tái)能溫度vTrE、板厚t等影響因素的結(jié)構(gòu)材料斷裂抗力函數(shù)。

由此得到Q420鋼母材及其焊接接頭的斷裂抗力表達(dá)式KC以及驅(qū)動(dòng)力表達(dá)式KI，根據(jù)斷裂力學(xué)判據(jù)KI≤KC和計(jì)算、試驗(yàn)結(jié)果確定該橋Q420qE高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼選材標(biāo)準(zhǔn)。其防斷選材思路為：①結(jié)構(gòu)母材及其焊縫的斷裂抗力通過(guò)深缺口寬板拉伸試驗(yàn)測(cè)定斷裂韌性KC=f(T，ITk)；②將結(jié)構(gòu)基材及其焊縫通過(guò)V形缺口試驗(yàn)測(cè)定的沖擊韌性值，建立vEr=f(T,vTrE)；③通過(guò)寬板試驗(yàn)KC和沖擊試驗(yàn)vEr，建立特征溫度關(guān)系式，把寬板試驗(yàn)KC值表示為溫度T，材料冶金因素vTrE，加載速率ε′，板厚t，裂紋尖銳度修正系數(shù)F等影響因素在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料抗斷能力函數(shù)KC=F·f(T，VTrE，ε′，t)； ④由桿件內(nèi)應(yīng)力σ，臨界裂紋長(zhǎng)度a，結(jié)構(gòu)幾何因素Y，則可建立結(jié)構(gòu)斷裂驅(qū)動(dòng)力KI[即式(13)]，由斷裂力學(xué)判據(jù)KI≤KC能確定結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境條件下和設(shè)計(jì)條件下滿(mǎn)足防斷要求的材料極限使用厚度。

通過(guò)深缺口寬板拉伸試驗(yàn)與夏比V形沖擊試驗(yàn)，將鋼材斷裂抗力與板厚、溫度相聯(lián)系得到KC，利用理論計(jì)算得出Q420鋼斷裂驅(qū)動(dòng)力KI。當(dāng)KC≥KI時(shí)，滿(mǎn)足防斷Q420鋼極限使用厚度[34-37]。

結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)斷裂時(shí)，臨界裂紋尺寸主要與構(gòu)件的形式尺寸、設(shè)計(jì)承載、斷裂韌性、服役環(huán)境溫度濕度等因素相關(guān)，結(jié)構(gòu)每個(gè)部位對(duì)鋼構(gòu)件的韌性要求也不同，因此不同部位的裂紋臨界長(zhǎng)度也不同。但是在工程設(shè)計(jì)分析中，經(jīng)常統(tǒng)一裂紋臨界長(zhǎng)度，因?yàn)檫@個(gè)臨界裂紋長(zhǎng)度非鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許存在的使用裂紋長(zhǎng)度，而是作為評(píng)判鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性的重要缺陷參數(shù)。臨界裂紋過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致材料韌性要求過(guò)高；臨界裂紋過(guò)短則導(dǎo)致安全性較低。因此，曲占元[38]在分析橋梁鋼斷裂驅(qū)動(dòng)力時(shí)選用a=50 mm作為臨界裂紋尺寸；錢(qián)維平[39]在對(duì)焊接橋梁結(jié)構(gòu)H形結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析時(shí)，選用臨界裂紋長(zhǎng)度a=60 mm。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件大多在復(fù)雜環(huán)境下服役，在整體設(shè)計(jì)中既要考慮整體結(jié)構(gòu)，又須考慮局部結(jié)構(gòu)承載各種外力的能力。蔣和歲等[40]在材料韌性要求作為斷裂控制準(zhǔn)則中，采用轉(zhuǎn)變溫度、斷裂力學(xué)K概念建立斷裂失效極限狀態(tài)方程，方程式為

(14)

式中：R為極限狀態(tài)函數(shù)概率可靠度；FR(x)為斷裂抗力概率分布函數(shù)；fs(x)為斷裂驅(qū)動(dòng)概率密度函數(shù)。該表達(dá)式準(zhǔn)確性尚需大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

鋼結(jié)構(gòu)焊接構(gòu)件中存在的內(nèi)應(yīng)力是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)斷裂的主要因素。焊接殘余應(yīng)力是其中重要組成部分，焊接部位有缺陷存在時(shí)，必須考慮殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的大小取決于焊接部位的形狀、缺陷所在位置，可表示為[39]

σR=βσS

(15)

式中：σR為焊接殘余應(yīng)力；β為產(chǎn)生斷裂時(shí)的焊接殘余應(yīng)力系數(shù)，取β=0.6[41]；σS為材料的名義屈服強(qiáng)度。

2 橋梁用高強(qiáng)鋼防斷性能研究存在的問(wèn)題

發(fā)達(dá)國(guó)家的橋梁建設(shè)早已步入以鋼結(jié)構(gòu)橋梁為主的發(fā)展階段，而受限于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和建設(shè)發(fā)展階段，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在中國(guó)橋梁工程總數(shù)中所占的比例不足1%，遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家[42]。繼Q420q鋼、Q500q鋼等高強(qiáng)鋼推廣使用之后，Q690q鋼也逐步進(jìn)入實(shí)橋安裝使用階段。鋼材在強(qiáng)度提高的同時(shí)，也伴隨一系列問(wèn)題，如塑性降低、屈強(qiáng)比增加等，對(duì)于鐵路橋梁這種動(dòng)荷載很大的結(jié)構(gòu)，可能帶來(lái)安全儲(chǔ)備降低的風(fēng)險(xiǎn)。GB/T 714—2015已經(jīng)將Q500q鋼、Q690q鋼納入其中；TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[43]將Q500q鋼作為新材料應(yīng)用到鐵路橋梁設(shè)計(jì)中；JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[44]中最高強(qiáng)鋼材仍為Q420鋼。新型橋梁鋼無(wú)法廣泛應(yīng)用，主要有以下幾個(gè)原因：①由于生產(chǎn)力和生產(chǎn)水平導(dǎo)致橋梁用高強(qiáng)鋼質(zhì)量穩(wěn)定性較差；②新型鋼材性能參數(shù)匱乏，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠充足，設(shè)計(jì)人員不敢貿(mào)然在設(shè)計(jì)中采用新型鋼材；③配套焊接工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法滿(mǎn)足新型鋼材焊接需求[45-46]。

目前，針對(duì)橋梁用高強(qiáng)鋼防斷選材的研究呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的特征，逐步走向成熟完善。各種試驗(yàn)方式及評(píng)價(jià)方法從不同的角度提出材料斷裂韌性規(guī)律，但是其中依然存在諸多亟待解決的問(wèn)題。

夏比沖擊韌度本質(zhì)上是一個(gè)衡量鋼材抗沖擊能力的指標(biāo)，不能全面反映母材與焊接接頭的真實(shí)韌度。由于沖擊試驗(yàn)不能把缺口尖的“開(kāi)裂”和“擴(kuò)展”區(qū)分開(kāi)，因而較難從理論層面解釋焊接接頭的失效機(jī)制。另外夏比沖擊試驗(yàn)取樣受限，規(guī)定以10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口試樣為標(biāo)準(zhǔn)試樣。這一規(guī)定尺寸對(duì)于部分厚度是準(zhǔn)確指標(biāo)，但對(duì)于整體厚度未必準(zhǔn)確，容易造成以偏概全。夏比沖擊試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便，費(fèi)用較低，能大批量進(jìn)行試驗(yàn)。但是，僅僅依靠夏比沖擊韌性，理論上依據(jù)不足，無(wú)法真正反映材料抗斷裂的能力。因此，必須通過(guò)采用斷裂力學(xué)的方法，由合適的模型推導(dǎo)建立力學(xué)關(guān)系。

為了克服沖擊試驗(yàn)帶來(lái)的局限性，研究人員提出落錘試驗(yàn)。采用“全厚”試樣的落錘試驗(yàn)，所得到的NDT溫度其為與板厚無(wú)關(guān)的材料常數(shù)。由NDT溫度建立的斷裂分析圖(Fracture Analysis Diagram,FAD)可以確定應(yīng)力、溫度和裂紋尺寸三者之間的定量關(guān)系。沖擊試驗(yàn)、落錘試驗(yàn)等傳統(tǒng)判據(jù)都是在特定試驗(yàn)條件下得到，缺乏對(duì)實(shí)際工況條件的模擬，所以改變?cè)囼?yàn)環(huán)境條件容易導(dǎo)致結(jié)果偏差。

CTOD值能夠直接反映裂紋尖端材料抵抗開(kāi)裂的能力，是描述裂紋體狀態(tài)的一個(gè)斷裂力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)中測(cè)定的CTOD值越大，表示裂紋尖端材料的韌性越好，反之CTOD值越小，韌性就越差。國(guó)際上厚板焊接結(jié)構(gòu)的CTOD試驗(yàn)方法較為成熟，而且CTOD作為標(biāo)準(zhǔn)材料斷裂韌度的指標(biāo)而廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。國(guó)內(nèi)的類(lèi)似應(yīng)用比較少見(jiàn),而將CTOD試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估技術(shù)相對(duì)接在國(guó)內(nèi)外仍處于試驗(yàn)研究狀態(tài)。

20世紀(jì)50年代，由于斷裂力學(xué)的發(fā)展，K概念在防斷選材中被大量應(yīng)用于工程實(shí)踐，依據(jù)斷裂力學(xué)判據(jù)KI≤KC確定結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境條件下滿(mǎn)足防斷要求的材料極限使用厚度。但是斷裂韌性KC存在一定的局限性：斷裂韌性KC的概念及計(jì)算方法僅限于線(xiàn)彈性斷裂及小范圍塑性斷裂范疇，對(duì)于塑性變形程度較大的彈塑性斷裂實(shí)用性差，當(dāng)材料狀態(tài)處于韌脆轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)上平臺(tái)區(qū)間時(shí)，斷裂韌性KC將失去意義，其與沖擊功不一定滿(mǎn)足相關(guān)性方程。

在高強(qiáng)鋼斷裂問(wèn)題上，船舶領(lǐng)域同樣面臨著與橋梁相似的問(wèn)題，船體斷裂事故屢有發(fā)生。為了解決大型船舶易發(fā)生斷裂事故的問(wèn)題，國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)UR S33RequirementsforUseofExtremelyThickSteelPlates[47]和中國(guó)船級(jí)社指導(dǎo)性文件GD 13—2016《船用高強(qiáng)度厚板檢驗(yàn)指南》[48]采用梯度溫度場(chǎng)型(簡(jiǎn)稱(chēng)“梯溫型”)ESSO試驗(yàn)和雙重拉伸試驗(yàn)等寬板拉伸止裂試驗(yàn)方法。通過(guò)該類(lèi)梯溫型寬板拉伸止裂試驗(yàn)，測(cè)定鋼板在一定應(yīng)力水平下的止裂溫度TK或一定溫度下的止裂韌性Kca，將TK或Kca作為判定鋼板止裂性能的物理參數(shù)。使用具有良好斷裂韌性和抑制脆性裂紋傳播特性的鋼材實(shí)現(xiàn)抗脆性斷裂的目標(biāo)。

目前，針對(duì)船用鋼材斷裂評(píng)價(jià)體系的ESSO試驗(yàn)、雙重拉伸試驗(yàn)采用大尺寸試件，雖然試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)性能較為接近，但試驗(yàn)操作復(fù)雜，費(fèi)用高昂。此外，其對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求較高，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，效率低。鋼板斷裂韌性沿厚度方向并不均勻，表面性能優(yōu)于中心性能，縱向性能優(yōu)于橫向性能。這使得ESSO試驗(yàn)和雙重拉伸試驗(yàn)并不宜用于橋梁鋼防斷選材評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究。

3 橋梁用高強(qiáng)鋼防斷性能研究的發(fā)展方向

橋梁用高強(qiáng)鋼防斷控制最初依靠強(qiáng)度控制，后來(lái)則依托斷裂力學(xué)理論性分析[31]。斷裂韌性研究經(jīng)過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，科研人員試圖通過(guò)不同形式的試驗(yàn)或有限元模擬，建立半經(jīng)驗(yàn)半理論公式分析模型，以此解釋和評(píng)定鋼材的斷裂韌性，但此類(lèi)研究無(wú)法真實(shí)反映鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際所處環(huán)境、受力狀態(tài)、材料自身組織類(lèi)型。這說(shuō)明對(duì)鋼材斷裂韌性的研究還不夠充分，也啟發(fā)科研人員轉(zhuǎn)換思路。

在鋼材冶煉和軋制過(guò)程中，為了達(dá)到良好的斷裂韌性，通?？刂平饘俳M織以得到多變型鐵素體和針狀鐵素體組織，同時(shí)還應(yīng)細(xì)化鋼材表面晶粒組織，使有效粒徑較小。高強(qiáng)鋼主要通過(guò)細(xì)化晶粒作為強(qiáng)化機(jī)理手段，既可以提高低溫沖擊韌性，又可以滿(mǎn)足斷裂韌性要求。鋼鐵冶煉工藝技術(shù)、控溫控軋技術(shù)和鋼材微合金化技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用成為改善優(yōu)化高強(qiáng)鋼低溫下斷裂韌性的重要途經(jīng)與未來(lái)發(fā)展方向。

近年來(lái)，對(duì)材料斷裂過(guò)程的研究逐漸呈現(xiàn)出由宏觀(guān)向微觀(guān)過(guò)渡發(fā)展的趨勢(shì)，使得宏微觀(guān)斷裂力學(xué)開(kāi)始被應(yīng)用于材料斷裂韌性研究中。這得益于宏微觀(guān)研究的廣泛應(yīng)用及試驗(yàn)、理論與技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步。譚鴻來(lái)[49]通過(guò)建立材料斷裂韌性與加載速率關(guān)系的臨界加載速率理論，利用宏微觀(guān)結(jié)合的方式解釋了材料的斷裂行為。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷裂是由一系列內(nèi)部因素和外部因素共同作用引發(fā)的，因此斷裂韌性試驗(yàn)分析結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的分散性、概率性和隨機(jī)性，從而使用概率斷裂力學(xué)研究方法是重要的發(fā)展方向[50]。

4 結(jié)論和建議

鋼材斷裂韌性是衡量鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造水平的重要標(biāo)志。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的韌性是保證不發(fā)生脆性斷裂的關(guān)鍵指標(biāo)。尋找合理的防斷設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是鋼材性能研究的基礎(chǔ)課題，可保證鋼結(jié)構(gòu)在服役階段全壽命周期性能與成本最優(yōu)。本文重點(diǎn)介紹了高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性的試驗(yàn)研究、斷裂韌性評(píng)估方法等方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。主要結(jié)論和建議如下：

1)斷裂韌性試驗(yàn)研究是橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性問(wèn)題的重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)行的試驗(yàn)研究主要有夏比沖擊試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)，雖然在一定程度上能夠反映材料的斷裂性能，但該類(lèi)斷裂韌性試驗(yàn)的試樣形狀、試樣尺寸、加載工況、試驗(yàn)設(shè)備等很難準(zhǔn)確反映構(gòu)件性能，與實(shí)際情況有偏差。因此，應(yīng)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的理論數(shù)學(xué)模型，推動(dòng)該類(lèi)斷裂韌性試驗(yàn)研究理論體系的完善，并為未來(lái)更高強(qiáng)度等級(jí)鋼如Q690q鋼等新型材料的斷裂韌性試驗(yàn)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2)高強(qiáng)鋼斷裂力學(xué)韌性參數(shù)評(píng)價(jià)研究是防斷研究的最終目標(biāo)。主要內(nèi)容包括：建立鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù);選取適當(dāng)?shù)姆治龇椒ê土W(xué)特征指標(biāo)反映鋼材斷裂韌性;通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析建立并逐步完善力學(xué)特征值與斷裂韌性的關(guān)系;建立便于工程應(yīng)用的斷裂韌性評(píng)估方法;提出適合中國(guó)國(guó)情的斷裂韌性設(shè)計(jì)方案；發(fā)展基于可靠度理論的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性評(píng)估方法。

隨著試驗(yàn)的開(kāi)展和研究的更加深入，以及新試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備和先進(jìn)的制造加工工藝所提供的技術(shù)支撐，對(duì)斷裂韌性的特點(diǎn)也將有全新的認(rèn)識(shí)。對(duì)鋼材斷裂韌性問(wèn)題進(jìn)行深入研究，將為后續(xù)更高強(qiáng)度等級(jí)材料的斷裂韌性評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。